吳澤美 馬偉娜 劉萬斗 趙玉政 左婧 李明 郭君更

（華北油田分公司第五采油廠）

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明每年腐蝕造成的損失約占到國民生產總值的4%，僅華北油田每年腐蝕導致的地面管線穿孔約1 500次，油井檢泵作業(yè)400余井次，年損失4 000余萬元。腐蝕控制貫穿油田開發(fā)的全過程，雖然目前物理涂層、非金屬材料等眾多新技術、新工藝不斷出現(xiàn)，但是基于油田地面工藝現(xiàn)狀，機泵設備、管線、罐體仍然以鋼鐵材料為主，腐蝕治理仍然以化學加藥為主，這就是油田開展腐蝕率在線監(jiān)測技術的現(xiàn)實需求[1-2]。

1 背景

目前國際上對腐蝕監(jiān)測技術的研究已進入智能化的發(fā)展階段，如美國的LPR線性極化法腐蝕測量儀，ER電阻探針法腐蝕監(jiān)測儀，Microcor電感法快速腐蝕監(jiān)測儀，HP（Hydrogen Permeation）滲氫監(jiān)測儀等[3-4]。線性極化法是利用腐蝕電位附近極化電位與極化電流呈線性關系來測定金屬腐蝕速度的方法，不損壞電極。電阻探針法通過探針被腐蝕變薄后電阻的變化來計算腐蝕率，探針需要定期更換。電感法是利用探頭表面被腐蝕時探頭內線圈電感發(fā)生變化，繼而推算腐蝕速率，滲氫監(jiān)測儀用來監(jiān)測腐蝕產生的氫滲入鋼鐵的程度，該技術在石化行業(yè)應用更為廣泛[5]。

近年來，我國在腐蝕監(jiān)測技術的研究應用方面也有了很大進展，特別是腐蝕測試儀器和遠程自動化系統(tǒng)研發(fā)有很大突破，相繼開發(fā)了精密電阻探針、交流阻抗探針、電化學阻抗譜法等多種方法用于現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測，并進一步發(fā)展成為基于局域網與互聯(lián)網的在線監(jiān)測系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)的交流和管理更為便捷[6]。

勝利油田運用電化學交流阻抗法進行污水集輸管線腐蝕速率的快速測量，設計了一套適用于油田集輸管線的快速腐蝕監(jiān)測裝置[7]，現(xiàn)場應用表明，該裝置具有較高的抗電磁干擾能力和較好的可靠性，其測量值與現(xiàn)場掛片法結果吻合。大慶油田采用一套集多種信號采集技術、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸、GPS衛(wèi)星定位、GIS服務等信息化管理手段為一體的智能化油田自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對采油井、儲油罐、中轉站、聯(lián)合站各項運行指標參數(shù)的自動采集和動態(tài)監(jiān)控。普光氣田將腐蝕掛片、電阻探針、線性極化探針、數(shù)據(jù)采集器、控制和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（含數(shù)據(jù)分析軟件）以及帶壓取放器裝置等結合起來，利用FSM腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，建立了完善的腐蝕監(jiān)測及控制體系，經過1年多的運行，實測數(shù)據(jù)顯示地面集輸系統(tǒng)腐蝕速率有效地控制在0.076 mm/a以下。

2 腐蝕率在線監(jiān)測系統(tǒng)設計原則

不同監(jiān)測腐蝕技術特征見表1，技術成熟并兼顧安全、環(huán)保、經濟因素，是現(xiàn)場技術方案遴選的主要參考原則。華北油田經過論證選取測試精度高、經濟實用的電阻探針式腐蝕監(jiān)測方法，電阻探針技術可以在液相（電解質或非電解質）、氣相等介質中進行測定，具有操作相對簡單、易于維護、數(shù)據(jù)容易分析等特點。結合華北油田正在建設中的物聯(lián)網項目，把在線腐蝕率監(jiān)測系統(tǒng)納入到整個物聯(lián)網系統(tǒng)中，在組織架構上提高了項目的融合度[8]。

表1 不同監(jiān)測技術特征

由于FeS、FeS2具有半導體性質，當探針表面被FeS、FeS2覆蓋時，電阻值會出現(xiàn)誤差，所以電阻探針技術在以H2S腐蝕為主的介質中誤差較大。如果水中含油量較高，探針被油膜包裹時，阻止了腐蝕介質和探針的接觸，會導致監(jiān)測數(shù)據(jù)失真?；诤土康目紤]，監(jiān)測點適合選取在水處理系統(tǒng)的濾后位置，要求過濾后的水體含油小于10 mg/L。

3 現(xiàn)場實施情況

華北油田第五采油廠2019在榆一站、趙一站安裝了注水系統(tǒng)腐蝕率在線監(jiān)測系統(tǒng)，項目設計包括在線監(jiān)測裝置、數(shù)據(jù)采集和加藥聯(lián)動3個部分。

3.1 在線監(jiān)測裝置

現(xiàn)場監(jiān)測點1在緩蝕劑加藥泵前，監(jiān)測點2在緩蝕劑加藥泵后，兩個點的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比既可以反映腐蝕情況，又可以反映緩蝕劑加藥效果，為后續(xù)調整加藥制度提供依據(jù)。為了檢驗在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，在監(jiān)測點2旁同時裝一個掛片，將掛片腐蝕法和電阻探針法兩種方法對比，以驗證電阻探針法的準確程度。

腐蝕監(jiān)測探頭技術指標：腐蝕速度測量范圍1×10-4～50 mm/a；正弦波頻率10 kHz～1 MHz；極化電阻測量范圍5～10 MΩ；絕對測量精度<1%；介質電阻測量范圍10～500 KΩ；正弦波幅值5～100 mV；定時自動測量測量間隔1～255 h；存儲數(shù)據(jù)3 000組；時鐘誤差±1 min/a(自帶電池)；工作溫度-10～50℃；濕度≤80%RH；電池供電重量2.5kg。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集架構由監(jiān)測設備、上位機以及數(shù)據(jù)服務器三部分組成，監(jiān)測設備與上位機之間通過內嵌ZigBee無線通訊模塊的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。上位機通過Intouch實現(xiàn)數(shù)據(jù)組態(tài)，同時將數(shù)據(jù)存入服務器。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協(xié)議，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，尤其是帶有路由的可組網功能，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備?，F(xiàn)場設備通過ZigBee模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，避免了有線傳輸需動土破地施工所帶來的不便以及安全風險。數(shù)據(jù)通過無線傳輸可實時顯示于作業(yè)區(qū)中控室上位機，數(shù)據(jù)存儲于后方服務器，中控室值班人員和廠區(qū)技術部門均可以實時掌握現(xiàn)場腐蝕數(shù)據(jù)，在線腐蝕率監(jiān)測數(shù)據(jù)界面見圖1。

3.3 加藥聯(lián)動

將腐蝕率在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與緩蝕劑加藥系統(tǒng)聯(lián)動，腐蝕數(shù)據(jù)傳至后臺后，通過PLC控制器關聯(lián)變頻器和加藥泵，中控室根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)發(fā)布啟停加藥泵的指令[9]。

當腐蝕率數(shù)據(jù)超過0.076 mm/a時，平臺發(fā)出提示，值班人員確認現(xiàn)場情況后發(fā)布起泵加藥指令。經過兩年的運行，將加藥濃度和腐蝕數(shù)據(jù)反復推演，目前加藥濃度設為3檔：當清污混注或單注清水，腐蝕率小于0.076 mm/a時，加藥泵停泵；當腐蝕率在0.076～0.15 mm/a時加藥濃度80 mg/L；腐蝕率大于0.15 mm/a時加藥濃度120 mg/L。

3.4 數(shù)據(jù)分析

掛片法是將鋼質掛片置于試驗介質中，經過一段時間的腐蝕減重來測算平均腐蝕率的方法，這是公認的客觀反映某一時間段內腐蝕程度的方法。為了驗證腐蝕率在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，2019年5月至12月在榆一站做了在線腐蝕率數(shù)據(jù)和掛片腐蝕率數(shù)據(jù)的對比，在在線腐蝕率探頭附近安裝掛片，掛片材質選取與管線同型號鋼材，掛片周期為1個月，每個月測一個數(shù)據(jù)，連續(xù)試驗8個月，腐蝕率數(shù)據(jù)對比見圖2。在線腐蝕率數(shù)據(jù)和掛片腐蝕率數(shù)據(jù)基本吻合，平均誤差在10%以內，說明在線腐蝕率測試數(shù)據(jù)能夠準確反映現(xiàn)場腐蝕情況，因其操作簡便，數(shù)據(jù)直觀，可以極大提高現(xiàn)場管理效率。

圖2 腐蝕率數(shù)據(jù)對比

趙一站腐蝕率在線測試數(shù)據(jù)見圖3，2019年12月23日開始，腐蝕率數(shù)據(jù)發(fā)生突變，根據(jù)調查結果，與當時正在進行的CO2吞吐施工時間同步，這也從另一個側面證明了在線腐蝕率監(jiān)測技術的即時性優(yōu)勢[10]。

圖3 趙一站腐蝕率在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

基于掛片法測腐蝕率數(shù)據(jù)試驗周期長，注水系統(tǒng)通常為以年度為單位確定加藥制度，以榆一站和趙一站為例，以前的加藥濃度統(tǒng)一為200 mg/L，雖然可以控制腐蝕率，但是藥量存在冗余。采用在線腐蝕率監(jiān)測系統(tǒng)以后，根據(jù)現(xiàn)場腐蝕率數(shù)據(jù)，可以及時調整加藥制度，加藥制度的劃分周期明顯縮短，兩個站經過2年運行，節(jié)約藥劑21 t。

4 結論及建議

1）通過腐蝕在線監(jiān)測與掛片腐蝕法兩種方法對比，在線監(jiān)測的結果誤差在可控范圍內，數(shù)據(jù)準確性滿足油田生產需求。

2）將腐蝕率在線監(jiān)測技術整合進油田生產物聯(lián)網，實現(xiàn)了腐蝕數(shù)據(jù)的實時展示，為掌握現(xiàn)場腐蝕動態(tài)并及時治理提供了技術支持，提高了油田開發(fā)的精細管理水平。